DE60036071T2

DE60036071T2 - Ventilationsverlustmindernde Gewindemutter für einen Strömungsmaschinenrotor

Info

Publication number: DE60036071T2
Application number: DE60036071T
Authority: DE
Inventors: William Lee Greer Herron; Horst Gunther Scotia Delorenzi; Srihari Guilderland Balasubramanian; Suryaprakash Albany Ganti
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: JP2001254717A; US6231287B1; KR20010085240A; CZ20003321A3; ATE371098T1; EP1128022A2; EP1128022B1; DE60036071D1; EP1128022A3; JP4731004B2

Description

Diese Erfindung betrifft eine Turbomaschine im Allgemeinen und insbesondere ein neues Design für Muttern, die mit Bolzen verwendet werden, die Bereiche einer Rotor- oder Stator-Anordnung zusammenfügen.
Sich axial erstreckende Verbindungsbolzen werden in rotierenden Vorrichtungen verwendet, wie beispielsweise Turbinen zur Stromerzeugung, um verschiedene Komponenten, wie beispielsweise Turbinenstufen auf der Kern-Welle des Rotors sowie Leiträder und Abstandshalter (oder andere Komponenten in der Stator-Anordnung) zusammen zu halten. Diese Bolzen sind typischerweise in Umfangsrichtung beabstandet um den Rotor angeordnet, mit einer ringförmigen Rotoraussparung oder Nut, die der Ausnahme der zugehörigen Muttern geschaffen ist.
Die Bolzen, die in die Aussparungen hineinragen, die sowohl durch den Rotor- als auch die Stator-Komponenten verbunden sind, können deutlich die Luftströmung in derartigen Aussparungen beeinträchtigen, indem sie die Luft um den Umfang des Rotors fördern. Diese Pumpwirkung erhöht die tangentiale Geschwindigkeit der Luft, wenn die Bolzen auf den Rotor angeordnet sind und verlangsamen diese, wenn die Bolzen auf dem Stator angeordnet sind. Unabhängig von der Richtung, führt die Beschleunigung zu einer reibungsbedingten Erwärmung des Gases, Ansteigen seiner Temperatur sowie der Erwärmung der umliegenden und benachbarten Komponenten.
Diese sogenannte „Ventilation" ist unerwünscht, da diese der Maschine Energie entzieht und folglich die Effizienz erniedrigt und die erhöhte Temperatur der Komponenten kann die Lebensdauer der Teile begrenzen. Es wurden verschiedene Konzepte entwickelt, um die Ventilationsverluste durch eine Abdeckung über den Muttern und Bolzen zu minimieren, folglich das Pumpen, das auftritt zu erniedrigen. Die Abdeckung kann ein separates Stück sein oder diese kann erreicht werden, indem die Mutter so geformt wird, dass eine segmentierte 360° Fläche für die Aussparung erzielt wird. Dieser letztere Ansatz wird an einem Ende des Rotors bei bestimmten stationären Gasturbinen des Anmelders verwendet. Insbesondere bilden die Muttern an sich einen Teil der Wand der Luftaussparung zwischen den Rotor- und den Stator-Komponenten. Jede Mutter hat eine zusammengesetzte Umfangsfläche, die ein radial äußerer Teil ist, der im Wesentlichen mit der Krümmung des Rotors übereinstimmt und der ein Paar von gegenüberliegenden ausladenden „Flügeln" definiert. In das Zentrum der Mutter ist eine große Bohrung gebohrt, um den Bolzen in konventioneller Art aufzunehmen. Zwei schmälere Bohrungen sind an jeder Seite der zentralen Bohrung geschaffen, beispielsweise unterhalb der „Flügel", um das Gewicht der Mutter zu verringern. Auch mit dieser Eigenschaft wiegt jede Mutter jedoch etwas über 4,31 kg (9,5 Pfund). Ein Beispiel dieser Art von Mutter ist in der US-A-4,245,959 beschrieben.
Die „Flügel" auf der Mutter überspannen den Raum zwischen benachbarten Muttern, wobei die „Flügelenden" oder „Flügelspitzen" von benachbarten Muttern nahe aneinander liegen, aber sich nicht gegenseitig berühren. Folglich stellt die äußere Fläche der montierten Muttern eine im Wesentlichen durchgehende glatte Fläche für die Rotor-Stator-Aussparung dar, von der diese ein Teil der Aussparungswand bildet. Die Wanddicke der Mutter variiert in verschiedenen Flächen und diese Ungleichmäßigkeit stellt eine sich verän dernde Festigkeit dar, die demzufolge eine umfängliche Veränderung in dem Lastübertrag auf den Bolzen verursacht. Auf ähnliche Art und Weise tendieren die Flügel (die hauptsächlich von den Seiten der Mutter freitragend sind) dazu eine Zuglast auf die Seiten und den Boden der Mutter auszuüben und eine Drucklast auf die obere Fläche der Mutter auszuüben, beispielsweise direkt über die zentralen Bohrung.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Verbesserung in der Auslegung der existierenden hinteren Gewindemutter. Insbesondere wurden die Flügelflächen der Mutter von einem freitragenden Ausleger-Design auf ein Streben-Design geändert, das folglich eine glattere, gleichmäßigere Gestalt erlaubt, die demzufolge unterschiedliche Dicken ermöglicht, die ebenfalls gleichmäßiger sind. Die dünnen Streben übertragen die Last der Flügel gleichmäßiger in die Drehrichtung der Mutter, was die Lastgleichmäßigkeit weiter verbessert. Die gleichmäßige Wanddicke reduziert ebenfalls Gewicht, was zu einer Reduzierung der maximalen und mittleren Lasten führt, die auf den Bolzen übertragen werden.
Stress oder Spannungen selbst werden ebenfalls verringert, die bezogen sind auf das resultierenden Fließen des Bereichs. Das verringerte Gewicht der Mutter selbst wird durch eine effizientere Unterstützung oder Halterung des Gewichtes der Wirbelungseigenschaften der Mutter ermöglicht, beispielsweise der Flügel.
Folglich betrifft die vorliegende Erfindung eine Rotorverbindungsbolzenmutter, die aufweist: einen Mutterkörper, der eine zentrale Gewindebohrung darin aufweist; eine erste umfängliche Fläche auf einer Seite der zentralen Gewindebohrung, die die zentrale Bohrung umspannt und sich in entgegen gesetzter Richtung erstreckt, um ein Paar von Flügelbereichen zu definieren; und ein Paar von Strebenbereichen, die die Flügelbereiche unterstützen; wobei die Strebenbereiche eine zweite und dritte umfängliche Fläche aufweisen, die jeweils mit den gegenüberliegenden Enden der ersten umfänglichen Flächen verbunden sind, und zu jedem der anderen durch eine mit einem Radius versehene Fläche, die an einem gegenüberliegenden Ende der zentralen Bohrung angeordnet ist und gekennzeichnet durch ein Paar von im Wesentlichen dreiecksförmigen Öffnungen in den Flügelbereichen jeweils auf den gegenüberliegenden Seiten der zentralen Bohrung sind.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Rotoranordnung für eine rotierende Vorrichtung, wobei die Rotorkomponenten durch mehrere, sich axial erstreckenden Verbindungsbolzen zusammengehalten sind, wobei jeder der Bolzen eine Mutter aufweist, die auf ein Ende des Bolzens aufgebracht wird, und worin der Rotor mit einer ringförmigen Aussparung gebildet ist, in der die mehreren Bolzen enden und in der die mehreren Muttern angeordnet sind, wobei jede Mutter eine Mutter entsprechend des vorherigen Abschnittes ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend als Beispiel in Bezug auf die nachfolgende Zeichnung beschrieben, in der:
1 ein Querschnitt eines Teils eines Rotors und zugeordneter Gewindemutter nach dem Stand der Technik ist;
2 eine Endansicht der in 1 gezeigten Mutter ist;
3 eine Endansicht einer Gewindemutter gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
1 zeigt teilweise einen rotierenden Triebwerksrotor 10, der ein Rotor einer Gasturbine sein kann, ein Teil von dem mit einer umfänglichen kreisförmigen eine Aussparung oder Nut 12 versehen ist, die mehrer Rotor-Gewindemuttern 14 aufnimmt, die um die Nut 12 angeordnet sind, und die eingerichtet ist, um die Gewindeenden von mehreren Verbindungsbolzen 16 aufzunehmen. Ein Stator 18 ist teilweise gezeigt und es ist deutlich, dass der Stator 18 den Rotor 10 umgibt, wobei zwischen beiden ein radialer Spalt 20 liegt.
2 zeigt die Umfangsgestalt einer konventionellen Rotorgewindemutter 14, die mit einer zentralen Bohrung 22 gebildet ist, wobei die innere Fläche derselben ein Gewinde aufweist, um das Gewindeende des Bolzens 16 aufzunehmen. Zwei zusätzliche kleinere Bohrungen 24 und 26 sind jeweils in den jeweiligen Flügelbereichen 28, 30 vorgesehen hauptsächlich, um das gesamte Gewicht der Mutter zu verringern. Es ist ersichtlich, dass die Mutter eine erste Umfangsfläche 32 aufweist, die die zentrale Bohrung 22 und die Flügelbereiche 28, 30 überspannt. Die Fläche 32 weist eine Krümmung auf, die im Wesentlichen der Krümmung des Rotors 10 entspricht. Mehrere ähnliche Gewindemuttern 14 werden innerhalb einer umfänglichen kreisförmigen Nut 12 so in dem Rotor angeordnet, dass die gekrümmten Flächenbereiche 32 im Wesentlichen eine durchgehende Umfangsfläche um die Aussparung oder Nut 12 bilden, um auf diese Art und Weise den Wirbelungseffekt zu minimieren.
Jede Mutter 14 wird ebenfalls mit gekrümmten Flächen 34, 36 versehen, die mit dem Flächenbereich 32 zusammengefügt sind, um die gegenüberliegenden Flügelbereiche 28, 30 zu bilden. Die inneren Flächen 38 und 40 sind durch eine Bodenfläche oder Wurzelfläche 42 verbunden und vervollständigen die Gestalt der Mutter. Es ist deutlich, dass die Flügelbereiche 28 und 30 im Wesentlichen von dem Hauptbereich der Mutter nach außen stehend sind. Die Nachteile, die aus dieser Anordnung und aus der auftretenden und vorhandenen Ungleichmäßigkeit in der Wanddicke resultieren, sind vorstehend beschrieben.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 3 eine neu entworfene Gewindemutter 44 gemäß dieser Erfindung dargestellt. Darin ist ebenfalls eine zentrale Bohrung 46 vorgesehen, wobei die innere Fläche derselben ein Gewinde aufweist, um das Gewindeende des Bolzens 16 aufzunehmen. Zwei im Wesentlichen dreieckig geformte Bohrungen 48 und 50 werden jeweils innerhalb eines Paars von gegenüberliegenden Flügelbereichen 52, 54 geschaffen. Die Umfangsfläche 56 der Mutter ist ähnlich der Fläche 32 der in 2 gezeigten Mutter, sodass wenn mehrere Muttern 44 innerhalb der umfänglichen Nut 12 ausgerichtet angeordnet sind, die ähnlichen Flächen 56 im Wesentlichen eine durchgehende Umfangsfläche um den Rotor bilden, wie dies aus 3 ersichtlich ist.
Die gegenüberliegenden Flügelkantenflächen 58 und 60 gehen über in im Wesentlichen gerade Flächen 62, 64, die in einen gekrümmten inneren Bereich 66 übergehen. Es ist deutlich, dass mit der neuen Auslegung oder dem neuen Design, insbesondere der Flächen 62, 64 und 66, die Flügelbereiche 52 und 54 von einem Ausleger-Anordnung zu einer Streben- Anordnung geänderte sind, mit dünnen Streben 68, 70, die die Flügelbereiche 54, 54 unterstützen und/oder haltern. Dies hat demzufolge ermöglicht, dass die verschiedenen Wanddicken innerhalb der Mutter im Wesentlichen gleichförmig sind und die Öffnungen 48 und 50 größer sind als solche, die in dem Rotorgewindemutter-Design nach dem Stand der Technik verwendet werden. Die dünnen Streben 68, 70 übertragen die Last der Flügelbereiche 52, 54 effizient in die Umfangsrichtung der Mutter, wodurch die Lastgleichmäßigkeit zusätzlich verbessert wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt der Durchmesser der zentralen Bohrung 89 mm (3,5 Zoll), die Umfangslänge der Fläche 56 beträgt ungefähr 254 mm (10 Zoll) und die Wanddicke an jedem Ort beträgt ungefähr 12,7 mm (0,50 Zoll). Das vorhergesagte Gewicht der Mutter 44 wird auf unter 9 Pfund verringert, was eine ungefähre Verringerung des Gewichts von 6% verglichen mit dem Design der in 2 gezeigten Mutter ist. Als ein Ergebnis wird die maximale Belastung ebenfalls um mehr als 6% verringert. Der Effekt der Umverteilung der Last ist der, dass die Last gleichmäßiger verteilt wird, nicht umfänglich um den Bolzen, aber ebenfalls axial entlang des Bolzens. Tatsächlich wurde für ein spezifisches Gasturbinen-Design des Anmelders dieser Erfindung Belastungs- oder Stress-Analysen durchgeführt und diese haben gezeigt, dass der Von-Mises-Belastungs-Wert von ungefähr 1035 MPa (150 Ksi) auf ungefähr 966 MPa (140 Ksi) erniedrigt wurde.
Für die Rotor-Gewindemutter, wie diese hierin beschrieben wurde, kann folgendes zusammengefasst werden:

1. Erhalten der Fähigkeit der Ventilationseigenschaften der Mutter;
2. Erniedrigen der Nettolast auf den Bolzen (durch Erniedrigen des Gewichts der Mutter);
3. Erniedrigen der maximalen Last auf den Bolzen (durch Erzeugen einer gleichförmigeren Mutterwanddicke);
4. Erniedrigen der Nettobereichsbelastungen in der Mutter, um das nicht axialsymetrische Fließen zu eliminieren, das in ausgebauten Hardware-Teilen beobachtet wurde und
5. Bewahren oder Erhalten der Zugtest-Belastungsfähigkeit der Mutter.

Claims

Rotorverbindungsbolzenmutter (44) mit einem Mutterkörper mit einer zentralen Gewindebohrung (46); einer ersten umfänglichen Fläche (56) auf einer Seite der zentralen Gewindebohrung, die die zentrale Bohrung umspannt und sich in entgegen gesetzter Richtung erstreckt, um ein Paar von Flügelbereichen (52; 54) zu definieren; und ein Paar von Strebenbereichen (68, 70), die die Flügelbereiche unterstützen; wobei die Strebenbereiche eine zweite und dritte umfängliche Fläche (62, 64) aufweisen, die jeweils mit den gegenüberliegenden Enden der ersten umfänglichen Flächen (52) verbunden sind, und zu jedem der anderen durch eine mit einem Radius versehene Fläche (66), die an einem gegenüberliegenden Ende der zentralen Bohrung angeordnet ist; gekennzeichnet durch ein Paar von im Wesentlichen dreiecksförmigen Aperturen (48, 50) in den Flügelbereichen jeweils auf den gegenüberliegenden Seiten der zentralen Bohrung.
Rotorverbindungsbolzenmutter nach Anspruch 1, worin die zweite und die dritte umfängliche Fläche (62, 64) im Wesentlichen gerade sind.
Rotorverbindungsbolzenmutter nach Anspruch 1, worin eine Seite von jeder der im Wesentlichen dreiecksförmigen Aperturen (48, 50) teilweise einen der jeweiligen Strebenbereiche (68, 70) bildet.
Rotorverbindungsbolzenmutter nach Anspruch 1, worin die mit einem Radius versehene Fläche (66) eine Krümmung aufweist, die im Wesentlichen parallel zu einer Krümmung der zentralen Bohrung ist.
Rotorverbindungsbolzenmutter nach Anspruch 1, worin die Wanddicke der Mutter im Wesentlichen gleichmäßig ist.
Rotorverbindungsbolzenmutter nach Anspruch 1, worin die erste umfängliche Fläche (56) gekrümmt ist und eine Länge von ungefähr 254 mm (10 Zoll) aufweist.
Rotorverbindungsbolzenmutter nach Anspruch 6, worin die zentrale Bohrung (46) einen Durchmesser von ungefähr 89 mm (3 ½ Zoll) aufweist.
Rotorverbindungsbolzenmutter nach Anspruch 6, worin die Mutter aus rostfreiem Stahl oder Edelstahl hergestellt ist.
Rotorverbindungsbolzenmutter nach Anspruch 5, worin die Wanddicken ungefähr 12,7 mm (0,5 Zoll) betragen.
Rotoranordnung für eine rotierende Vorrichtung, wobei die Rotorkomponenten durch mehrere, sich axial erstreckende Verbindungsbolzen (16) zusammengehalten sind, wobei jeder der Bolzen eine Mutter (44) aufweist, die auf ein Ende des Bolzens aufgebracht wird; und worin der Rotor mit einer ringförmigen Aussparung (12) gebildet ist, in der die mehreren Bolzen enden und in der die mehreren Muttern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 angeordnet sind.